Актуальность работы.
Геополитическая обстановка, активное освоение шельфовой зоны Арктики, создание национального парка «Русская арктика», строительство буровых платформ и трубопроводов влечёт за собой повышенный интерес к процессам, протекающим в Аркической зоне. Заприпайные арктические полыньи играют важную роль в климатической системе, являются своеобразным окном для живых огранизмов, и изучение заприпайных полыней представляет большой интерес представителям самых различных научных дисциплин — океанологами, гидробиологами, метеорологами и другими.
В настоящее время известны основные характеристики большинства заприпайных полыней морей российской Арктики, имеются некоторые данные о влиянии полыней на гидрологический режим морей и метеорологические характеристики над прилегающей акваторией.
Заприпайные полыньи арктических морей представляют собой интересное явление как с научной, так и с практической точки зрения. Изучение взаимодействия полыней и атмосферных образований может способствовать более точному прогнозу погоды, сами полыньи, как водные пространства свободные от мощных льдов, могут использоваться для зимней навигации. Так же возможно прогнозирование летней ледовитости моря по данным о развитии полыней в зимний период (Попов, Карелин, Рубченя, 2007): крреляционный анализ связи временных рядов летней ледовитости и характеристик полыней выявил отчётливую зависимость летних ледовых условий от площади полыней в предшествующую зиму, что представляет несомненный интерес для прогноза ледовитости на навигационный период.
Барические образования, взаимодействующие с полыньями и стационирующие в районе заприпайных полыней Карского моря (Попов, 2003) могут оказывать воздействие на буровые платформы и трубопроводы в.
Баренцевом море — ветра северо-восточных румбов могут привести к навалам льдов в Баренцевом и Карском морях (Зубакин, Данилов, 2000).
Являясь значимым источником новых льдов и плотных вод, полыньи играют важную роль в формировании дальних связей, воздействуя как на гидрологический режим Северного ледовитого океана, так и Северной Атлантики — через формирование аномалий в полях температуры и давления, на макроциркуляционные процессы (Рубченя, Попов, 2006; Рубченя, 2006).
Исследование заприпайных полыней важно для задач краткосрочного и долгосрочного прогноза погоды (Гуков и др., 2000). Результаты исследований долгопериодной изменчивости характеристик полыней могут использоваться для прогнозирования климатических изменений. Так, данные анализа долгопериодной изменчивости площадей заприпайных полыней и продукции новых льдов можно использовать при прогнозе климатических изменений.
Цели и задачи исследования.
Основной целью работы является исследование взаимосвязи заприпайных полыней и гидрометеорологических условий в северной полярной области.
При подготовке работы были поставлены следующие задачи:
1. Исследование изменчивости заприпайных полынейрасчёт энергопотоков, продукции льда и плотных вод в заприпайных полыньях морей Сибирского шельфа.
2. Исследование влияния заприпайных полыней на летнюю ледовитость.
3. Исследования влияния заприпайных полыней на термохалинные характеристики в Гренландском море.
4. Оценка взаимосвязи заприпайных полыней и индексов глобальной циркуляции атмосферы (Arctic Oscillation — АОNorth Atlantic Oscillation-NAO).
Положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие положения:
• Новые данные о характеристиках энергомассообмена в заприпайных полыньях морей Сибирского шельфа за период 1978;2000гг.
• Заприпайные полыньи влияют на термохалинные характеристик в Гренландском море: изменение температуры и солёности в проливе Фрама происходит через 3−4 года после активного развития полыней.
• Выявлены синхронные связи между характеристиками заприпайных полыней и индексом макроциркуляции Arctic Oscillation (АО).
Практическое значение работы.
Результаты исследований, освещенные в работе, показывают, что заприпайные полыньи являются важной частью климатической системы Северной полярной области, оказывая влияние на гидрометеорологические параметры, как в местах своего развития, так и в регионах, значительно удалённых от районов возникновения заприпайных полыней.
Показана возможность прогнозирования летней ледовитости арктических морей на основе данных о площадях заприпайных полыней зимой (на примере Карского моря и моря Лаптевых).
Результаты исследования взаимосвязи заприпайных полыней и термохалинных характеристик в северной Атлантике, взаимосвязи изменчивости заприпайных полыней и атмосферной циркуляции свидетельствуют о влиянии заприпайных полыней на формирование погоды, а, через накопление аномалий, и влияние на климат Северной полярной области — таким образом, заприпайные полыньи представляют собой важный погодои климатообразующий фактор: влияние на формирование погоды происходит через взаимодействие с циклоническими образованиями, влияние на климат — через накопление атмосферных воздействий и формирование новых льдов и вод, влияющих на гидрометеорологические условия в Арктике.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Текст работы изложен на 115 страницах. Содержит 36 иллюстраций, 19 таблиц.
Список литературы
включает 70 наименований, из них 24 на иностранном языке.
Основные выводы, сделанные в статье, следующие: полыньи поддерживаются отжимными ветрамиветра по направлению к берегу быстро закрывают полыньюхолодные периоды и при активном действии ветров поток тепла от океана в атмосферу достигает 600−700вт/м, а иногда — превышает 1000вт/м2 (что согласуется как с другими авторами (Winsor and Bjork, 2000; Hakkinen, Cavalieri, 1989, Lemke, 2001) и др., так и с данными, полученными в настоящей работе) — общая продукция льда в полыньях за зимний период (октябрь-июнь) может достигать 20 м, при условии, что весь лёд (по достижении толщины в 30см) мгновенно выносится отжимными ветрами и полынья остаётся открытой. Необходимо заметить, что авторы оценивают, таким образом, верхнюю величину продукции льдов, тогда как реальное количество новых льдов меньше, что и показано в данном исследовании, т.к. нарастающий лёд значительно ослабляет поток энергии, и при толщине в 30 см поток ослабляется более чем вдвое (см. Рис. 2.3.). Авторы отмечают, что море Лаптевых — это крупный источник льда, особенно учитывая его небольшие размеры. Аналогичные выводы можно сделать — на основании данной работы, и в отношении Карского моря, а так же, в несколько меньшей степени, морей Восточно-Сибирского и Чукотского.
И.А.Дмитренко, С. А. Кириллов, В. А. Грибанов, Х. Кассенс в статье «Оценка ледопродуктивности стационарных полыней на шельфе морей Карского и Лаптевых на основе многолетних гидрологических наблюдений» (Метеорология и гидрология, N12 2001) оценивают ледопродуктивность полыней морей Лаптевых и Карского. На основе данных зимних гидрологических съемок с 1960 по 2000 годы, и спутниковых ледовых наблюдений, исследуется межгодовая изменчивость распределения зимой солености в поверхностном слое морей Карского и Лаптевых. Авторами показано, что в прикромочных районах стационарных заприпайных полыней удвоенное среднеквадратическое отклонение солености от среднемноголетнего значения на поверхности моря (3,4—5,2%0) может рассматриваться как оценка осолонения при ледообразовании в полыньях. Предложен способ расчета среднемноголетней суммарной ледопродуктивности стационарных заприпайных полыней, основанный на данных гидрологических, а не ледовых наблюдений. За оценку ледопродуктивности полыньи принимается толщина льда, который должен образоваться для увеличения среднемноголетней солености в поверхностном слое на величину ее удвоенного среднеквадратического отклонения. Рассчитанные авторами величины ледообразования изменяются от 3.5 м до 4.5 м и в целом совпадают с опубликованными ранее данными и качественно совпадают с данными, полученными в настоящей работе.
Попов A.B., Иванов Б. В., Карелин И. Д. в статье «Заприпайные полыньи моря Лаптевых и изменения климата» представляют оценки ледопродуктивности полыней моря Лаптевых и рассматривают вклад полыней в формирование изменений климата. Для каждой полыньи выполнены расчеты параметров энергообмена океана и атмосферы. С использованием модели С. Мартина и Д. Кавальери (Martin, Cavalieri, 1989) выполнены расчеты объемов новых льдов и вод, продуцируемых в заприпайных полыньях моря Лаптевых. Авторами получены верхние оценки ледопродуктивности полыней, результаты, полученные в настоящей работе ближе к реальным и отличаются от представленных авторами на 15−34%. Следуя авторам, анализ временной изменчивости полученных рядов свидетельствует о значительной роли заприпайных полыней моря Лаптевых в изменениях климата Северной Полярной области. В частности авторами показана связь процессов генезиса льдов и вод с формированием феномена Великих Соленостных Аномалий.
Согласно исследованиям (Aagaard et al., 1981) вклад шельфовых вод сибирского шельфа в формирование холодной воды галоклина составляет 2.5−5 Sv. Немецкие исследователи (Quadfasel, Rudels and Kurtz, 1991) оценили вклад плотных шельфовых вод в формирование донных вод СЛО в 0.5 Sv, что качественно совпадает с оценками, полученными в данной работе. На основании численной модели Jungclaus с коллегами (Jungclaus, Bakhaus and Fohrmann, 1995) изучали формирование шельфовых вод Сторфиорде (южный Шпицберген). Они получили, что через 120 модельных дней в полынье образуется соответственно.
— 1 л л.
645 км, 1160 км и 1390 км льда при различных вариантах моделирования. По достижении горизонта 2000 м, в результате смешения с окружающими водами, л л результирующий вклад в донные воды СЛО составляет 2098 км, 6320 км и 10 604 км³, т. е. происходи увеличение на 200−600% по сравнению с начальным объёмом.
Полученные в настоящей работе данные качественно совпадают с данными российских и зарубежных исследователей. По сравнению с рядом работ полученные данные представляются более приближенными к действительности. Так же анализ библиографии показал, что практически нет работ, посвященных взаимодействию заприпайных полыней и циклонов, чему посвящена глава «Заприпайные полыньи и барические атмосферные образования».
Раздел 1.1.4 Исходные данные.
Достаточно надежные данные о полыньях появились только после запуска искусственных спутников Земли, позволивших получать снимки полыней в течение всего холодного периода — с ноября по июнь с дискретностью несколько суток. Эти материалы дали возможность для изучения процессов формирования полыней с полнотой достаточной для декадного осреднения. В данной работе по материалам наблюдений с 1936 по 2001 годы уточнены статистические характеристики заприпайных полыней моря Лаптевых, причем основной объем информации для декадных расчетов приходится на данные ИСЗ в период 19 782 001 годы.
Точность таких данных в достаточной степени соответствует требованиям для исследований глобального, синоптического и регионального масштабов (Исследования., 1972; Карелин, 1997, Проворкин, 1977).
В работе использовались три типа данных — о площадях полыней, метеоданные, и гидрологические, структура данных представлена на Рис. 1.7. Данные по площадям заприпайных полыней арктических морей любезно полыней.
1 1.
— «J.
5 Гидрологически (температура, ж.
Метеорологические солёность) X • - «Г.
Банк данных.
ДАНИИ.
П.Д.Карелина).
Реанализ.
I. r-t.
Joint US Russian. Atlas of the? Arctic Ocean) ршпШННЩкшшЯмЯ.
МММ.
Рис. 1.7. Структура данных, используемых в работе. предоставлены сотрудником ГНЦ РФ ААНИИ И. Д. Карелиным, которым создан банк данных, охватывающий исследуемый период — конец 1970;х — начало 2000;х. Поскольку данные ИСЗ малого разрешения наносятся на карту масштабом 1:5 000 000, то точность положения границ полыней не превышает 2−3 км. Ширина полыней, нанесенных на карту, не может быть оценена с точностью, большей, чем 3 км (толщина карандашной линии на карте). В данном случае за минимальную ширину полыней принято 5 км, хотя в действительности она может быть видна на снимках ИСЗ и при ширине 2 км. При средней ширине полыней 20−60 км относительная ошибка измерений составляет 5−15%. Это не превышает ошибок, получаемых при авиационных наблюдениях. Полыньи со льдом толщиной 5−30 см. определяются очень уверенно, как в оптическом, так и в инфракрасном диапазонах. Поэтому ошибки наблюдений за счет неверного дешифрирования границ полыней в зимний период практически исключены. Следует особо.
— л подчеркнуть, что лед толщиной 5−30 см (т.е. до серо-белого включительно) дешифрируется как полынья.
Данные 1936;1978 гг. представляют собой результаты авиационных ледовых разведок, проводившихся в третью декаду каждого зимнего месяца (с февраля по май).
В заприпайных полыньях при низких температурах воздуха образуется лёд, который выносится отжимными ветрами и вовлекается в дрейф.
Первой формой образования льда являются ледяные иглы, которые возникают не только на поверхности моря, но иногда в результате переохлаждения и в его толще (внутриводный лед). Это кристаллы чистого льда до 10 см длиной, образующиеся из мельчайших частиц дисковой формы при срастании последних вокруг ядер кристаллизации.
Скопление в воде очень тонкого слоя смерзшихся и не смерзшихся ледяных игл, плавающих на водной поверхности в виде блестящих, напоминающих масляные, пятен, именуется салом. На поверхности моря, покрытой салом, при слабом ветре не образуется ряби: водная поверхность полыньи кажется гладкой и матовой (Номенклатура., 1974).
Снег, выпадающий на охлажденную ниже 0 °C поверхность моря, ускоряет процесс ледообразования: пропитываясь водой, он не тает, а уплотняется и превращается в вязкую кашеобразную массу, именуемую снежурой.
При воздействии ветра и волн сало и снежура сбиваются в полосы и пятна, состоящие из рыхлых и белесоватых комков, пропитанных морской водой — шугу,.
2 По данным некоторых исследователей к полыньям относятся молодые льды до 50 см.
32 до 5 см толщиной. Под влиянием сжатий толщина шуги увеличивается до 10 см и более. Иногда шуга формируется изо льда, образующегося вследствие переохлаждения на дне моря и в толще воды и затем всплывшего на поверхность.
Нилас образуется на спокойной поверхности полыньи путем смерзания сала и представляет собой тонкую, блестящую, эластичную корку, легко прогибаемую на волне и ломаемую ветром. При отсутствии штормовых условий и спокойном нарастании ниласовые льды представлены плоскими пластинами рыхлого, пропитанного водой льда толщиной до 5 см.
Верхняя поверхность ниласа влажная от пятен рассола. Если лед образуется при замерзании шуги и снежуры — верхняя поверхность шероховатая. Влажный рассол сохраняется на более мощном — до 15 см — сером льду. Блинчатым льдом именуются ледяные образования круглой формы, диаметром от 30 см до 2 м и толщиной обычно не более 5 см, появляющиеся преимущественно на свободной поверхности моря.
Блинчатый лед может образовываться из смерзшихся ледяных игл, сала, шуги и снежуры, а также из разбитой ледяной корки (ниласа) путем механического окатывания. По краям образований блинчатого льда в большинстве случаев возвышается закромка белого цвета. Образование блинчатого льда может происходить при очень низких температурах путем непосредственного замерзания воды.
При разламывании ниласа волнением и при дальнейшем выравнивании краев при трении льдин друг о друга может образоваться разновидность блинчатого льда — ложноблинчатый лед (Гуков, 1999).
Молодой тонкий лед с шероховатой влажной поверхностью, преимущественно светло-серого цвета, толщиной 5−20 см именуется молодиком. Образуется он из шуги, снежуры и блинчатого льда, а также путем непосредственного замерзания воды в спокойном состоянии. Молодик более прочен, чем нилас, и разламывается ветром и волнением значительно труднее. Таким образом, в соответствии с существующей в настоящее время классификацией (Номенклатура., 1974), в районе заприпайных.
Рис. 1.8. Заприпайная полынья с молодыми льдами (фотография Ю. П. Гудошникова, 2000). полыней арктических морей встречаются льды преимущественно одной категории, которая именуется «нилас и молодые льды» (Рис. 1.8). Наиболее толстым (от 30 до 70 см) среди молодых льдов является белый лед, обычно имеющий устойчивый снежный покров. Средняя мощность снежного покрова на молодых льдах не превышает нескольких сантиметров, чаще всего 1−10см.
Как отмечают многие авторы — (Martin, Cavalieri, 1989; Popov, Karelin, Ivanov, 1999) и другие — заприпайные полыньи арктических морей открываются и поддерживаются отжимными ветрами. Они определяют внешнюю границу полыньи. На другой границе, у припая, по всей видимости, кроме действия ветра, имеет место турбулентный приток тепла от нижележащих слоев воды, однако, по имеющимся данным, этот процесс не наблюдается в морях Карском и Лаптевых, в виду того, что полыньи зачастую приурочены к двадцатиметровой изобате, и приток атлантических вод практически исключён. Но данный механизм может работать при возникновении полыней на больших глубинах. Т.о. основными механизмами поддержания полыньи является отжимной ветр.
Направление и повторяемость воздушных переносов благоприятных для образования заприпайных полыней в море Лаптевых представлено в Таблице 1.1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Заприпайные полыньи, представляя собой уникальный природный феномен, оказывают влияние на гидрометеорологические процессы самых различных пространственных и временных масштабов. В работе рассмотрено образование в полыньях новых льдов и вод, оценены потоки энергии в атмосферу, влияние заприпайных полыней на летнюю ледовитость.
Воздействие полыней на атмосферу и океан происходит посредством двух механизмов. Во-первых, при открытии полыней из океана поступает большое количество тепла и влаги — полынья оказывается областью локального циклогенеза, и отмечается отепляющий эффект заприпайных полыней. Энергопотоки из океана в атмосферу в заприпайных полыньях достигают значительных величин, и при развитии полыней интегральный поток энергии в атмосферу может достигать значительных величин. Это непосредственное воздействие. Во-вторых, новые льды и плотные воды, образованные в полыньях, вовлекаются в систему течений и дрейфа льда Северного Ледовитого океана, и выносятся в итоге в Северную Атлантику через пролив Фрама. Поступление значительных объемов льда в Гренландское море и Северную Атлантику стимулирует появление здесь значимых аномалий термохалинных характеристик — из-за поступления большого количества распресненных вод влияние оказывается прежде всего на солёность. Что в свою очередь влияет на режим конвективных процессов, приводит к обострению полярного и субполярного гидрофронтов, и как следствие приводит к интенсификации системы течений, обеспечивающих адвекцию атлантических вод в Арктический бассейн: Гольфстрима, Северо-Атлантическго, Норвежского и Западно-Шпицбергенского. При этом, как известно, Северная Атлантика, и область у о. Ньюфаундленд является областью зарождения циклонов, и смещение субполярного гидрофронта может повлиять на траектории циклонов, что изменит макроциркуляцию в Северной полярной области.
Проведённые исследования и анализ полученных результатов позволяют сделать следующие основные выводы.
1. В период с 1978 по 2002 годы наблюдается увеличения количества эпизодов существования полыней (т.е. повторяемости) и площадей заприпайных полыней. Площади заприпайных полыней подвержены значительным временным изменениям разного масштаба: синоптическим, сезонным, межгодовым. Выделено несколько основных периодов — 1 -2 года и 8−10 лет.
2. Энергопотоки в заприпайных полыньях от океана в атмосферу в.
2 2 полыньях могут превышать 500Вт/м и достигать 800−1000Вт/м, что позволяет считать полыньи зоной активного энергообмена между океаном и атмосферой. При среднем многолетних значениях площадей полыней.
72 602 км (менее 4% от общей площади Арктического бассейна и морей.
Сибирского шельфа) и среднем потоке — 400Вт/м составляет.
29.04* 1012Вт в 2,5 раза меньше потерь тепла атмосферой за счет уходящего противоизлучения атмосферы над всем океаном.
3. Показано, что заприпайные полыньи являются значимым источником новых льдов и вод, объемы новых льдов, нарастающих в полыньях морей Карского и Лаптевых сравнимы с количеством льдов, образованных на всей площади этих морей — заприпайные полыньи являются «фабриками льда», где ледообразование идёт интенсивно в течении всего холодного сезона, в случае, если полыньи открыты. Экстремальное развитие заприпайных полыней приводит к экстремальному повышению продукции новых вод и льдов. Чётко выделяется тренд увеличения продукции новых льдов и вод за исследуемый период.
4. Рассмотрено влияние заприпайных полыней на летние ледовые условия. В весенний период заприпайные полыньи представляют собой область аккумуляции тепла, поэтому в дальнейшем они становятся очагами разрушения ледяного покрова. Чем больше площадь полыньи в апреле-мае, тем больше тепла накопит водная толща на начальном этапе радиационного прогрева, тем быстрее начнется процесс таяния окружающих льдов. Проведённый анализ характеристик заприпайных полыней и летней ледовитости моря показал, что существует взаимосвязь между летней ледовитостью и площадями полыней в зимний и весенний период. В работе показана возможность прогноза ледовых условий в летний период по данным о площадях полыней зимой и весной.
5. Проведён анализ взаимосвязи пространственно-временной изменчивости характеристик полыней и термохалинных характеристик в Гренландском море — в проливе Фрама. В частности показано, что существует связь, между характеристиками полыней и температурой и солёностью в проливе Фрама, которая описывается высокими положительными коэффициентами корреляции. Временной сдвиг — около 3 лет, что соответствует времени «добегания» климатического сигнала от морей Сибирского шельфа до пролива Фрама.
7. Проведён анализ взаимосвязи пространственно-временной изменчивости характеристик полыней и индексов макроциркуляции АО и NAO. Выявлены синхронные связи между характеристиками заприпайных полыней и индексом макроциркуляции Arctic Oscillation (АО): прослеживается связь временных рядов характеристик полыней и индекса АО, описываемая положительными коэффициентами г от 0.46 до 0.8 без временного сдвига, и несколько менее выраженная связь (с коэффициентами г от 0.49 до 0.74) при сдвиге в 1−3 года.
